結(jié)構(gòu)—地基動(dòng)力相互作用計(jì)算模型的改進(jìn)及其工程應(yīng)用.pdf

1、大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是適應(yīng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要保障，其中以清潔能源開發(fā)為主的高壩及核電站項(xiàng)目正在啟動(dòng)或?qū)嵤?，鑒于結(jié)構(gòu)日趨大型復(fù)雜化及西部和東部沿海強(qiáng)震區(qū)的特殊性，其抗震安全研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合中德合作研究項(xiàng)目(GZ566)，針對(duì)服務(wù)年限較長的大型工程結(jié)構(gòu)的抗震安全數(shù)值分析進(jìn)行了深入的研究。
　　1.關(guān)注于提高無限地基時(shí)域數(shù)值分析的精度與效率，從解析和數(shù)值兩方面系統(tǒng)地研究了阻尼溶劑抽取法（Damping Solvent Ex

2、traction Method，簡(jiǎn)稱DSEM）時(shí)域數(shù)值模型求解關(guān)鍵因素的影響，并基于模擬無限域動(dòng)力特性的機(jī)理進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的探討。進(jìn)而，從數(shù)值實(shí)現(xiàn)中的誤差源出發(fā)，提出了一種施加較大附加人工阻尼再分步依次移頻抽取的阻尼溶劑逐步抽取法，該方法可以最大限度地消除反射波波動(dòng)能量及抽取人工高阻尼的影響，從而降低了關(guān)鍵因素的相互制約性，使其能較好適應(yīng)地基有限區(qū)域表面幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的情況。同時(shí)，為克服原位移求解模式中存在的結(jié)構(gòu)-地基交界面顯-隱式算法

3、積分步長協(xié)調(diào)性的問題，提出了基于加速度求解的DSEM隱式算法，可方便結(jié)合子結(jié)構(gòu)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)側(cè)的動(dòng)力響應(yīng)分析。另外，對(duì)該無限地基時(shí)域模型進(jìn)行了典型算例驗(yàn)證并推薦了參數(shù)取值。
　　2.可操作性強(qiáng)是推進(jìn)結(jié)構(gòu)，無限地基相互作用時(shí)域模型在大型工程中應(yīng)用的必要條件。以通用有限元軟件ANAYS開發(fā)平臺(tái)為主體，基于DSSEM無限地基動(dòng)力計(jì)算模型，運(yùn)用UPFs的二次開發(fā)特點(diǎn)，在地基部分創(chuàng)建了人工高阻尼單元來模擬虛加介質(zhì)阻尼的影響，地基外邊界則創(chuàng)建了專

4、門模擬人工邊界的三維緊支粘彈性人工邊界單元，建立Fortran外部接口進(jìn)行交界面相互作用力的求解，并結(jié)合APDL以及GUI功能實(shí)現(xiàn)了基于逐步抽取DSSEM無限地基時(shí)域計(jì)算模型在ANSYS平臺(tái)的嵌入，進(jìn)而利用典型數(shù)值算例驗(yàn)證了所開發(fā)模型的可靠性和良好的適用性。在此基礎(chǔ)上，研究了地基材料非均勻性對(duì)相互作用力求解所產(chǎn)生的影響，計(jì)算結(jié)果表明該模型適用于復(fù)雜非均質(zhì)地基條件下的動(dòng)力響應(yīng)分析。
　　3.以發(fā)展一套完整的基于結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用

5、的分析技術(shù)為目的，首先在結(jié)構(gòu)-地基交界面推導(dǎo)了一種用以考慮所施加人工高阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)影響的空間耦聯(lián)單元，該單元形式是對(duì)已有有限單元的繼承與拓展，同時(shí)，為保證相互作用系統(tǒng)良好的收斂性和精度，提出了增量形式的動(dòng)力非線性迭代算法，從而基于ANSYS平臺(tái)建立了適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)地震非線性問題解決的結(jié)構(gòu)-無限地基動(dòng)力相互作用計(jì)算模型。其次，通過引入了上部結(jié)構(gòu)非線性力學(xué)模型、大體積混凝土結(jié)構(gòu)的細(xì)觀損傷演化等技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)充和完善了分析平臺(tái)的功能模塊。最

6、后，通過大崗山拱壩，無限地基系統(tǒng)的地震非線性響應(yīng)分析，驗(yàn)證了所提出時(shí)域模型具有通用性強(qiáng)、可操作性高、以及良好的精確及效率等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值;并由Koyna重力壩在強(qiáng)震作用下的破損過程研究驗(yàn)證了細(xì)觀損傷分析功能的有效性。
　　4.在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用是建立結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用模型的終極目標(biāo)。應(yīng)用本文所開發(fā)動(dòng)力相互作用分析平臺(tái)，筆者進(jìn)行了多個(gè)實(shí)際工程的計(jì)算分析與相關(guān)研究。其中，以某核電站CPR1000堆型反應(yīng)堆廠房

7、作為研究對(duì)象進(jìn)行了樓層反應(yīng)譜分析，對(duì)于評(píng)價(jià)核電廠地基適應(yīng)性具有一定的指導(dǎo)與參考意義;以高速列車在鐵路橋梁上的走行安全性為出發(fā)點(diǎn)，建立了合理高效的高速列車-軌道-橋梁-地基時(shí)變系統(tǒng)模型并進(jìn)行了地震激勵(lì)下的響應(yīng)分析，為解決復(fù)雜的工程實(shí)際問題提供了方便有效的途徑;并結(jié)合某擬建精密設(shè)備基礎(chǔ)隔振工程實(shí)際，通過引入三維緊支粘彈性邊界單元考慮了基礎(chǔ)-地基-基礎(chǔ)的動(dòng)力相互作用，建立了隔振措施優(yōu)化分析模型，并根據(jù)工程實(shí)際情況，分別對(duì)不同隔振措施及影響因素